1、计算机测控系统,南京航空航天大学机械结构力学及控制国家重点实验室,吴义鹏 ,测控系统网络技术,主要内容,机械结构力学及控制国家重点实验室,2,8. 测控系统网络技术 8.1 测控网络技术概述 8.2 无线传感器网络 8.3 应用举例,机械结构力学及控制国家重点实验室,3,8.1 测控网络技术概述,计算机网络概述,计算机网络是指将地理位置不同的、功能独立的各类计算机或者其他数据终端设备，通过通信线路连接，以网络软件来实现资源共享和信息传递的系统。,计算机系统 通信线路和设备 网络协议 网络软件,机械结构力学及控制国家重点实验室,4,8.1 测控网络技术概述,计算机网络概述,按照网络覆盖范围分类：
2、,局域网LAN（Local Area Network） 城域网MAN（Metropolitan Area Network） 广域网WAN（Wide Area Network）,机械结构力学及控制国家重点实验室,5,8.1 测控网络技术概述,计算机网络概述,按照网络拓扑结构分类：,星型结构 环形结构 总线结构 树型网络结构 网状网络结构,机械结构力学及控制国家重点实验室,6,8.1 测控网络技术概述,工业以太网技术：802.3局域网,802.3局域网最早源于美国施乐公司Xerox、DEC与Intel三家公司合作研究10 Mb/s的Ethernet实验系统。1980年，第一次公布了Ethernet
3、的物理层、数据链路层规范。1981年11月公布了Ethernet V2.0，随后该标准成为了IEEE 802.3的基础。,机械结构力学及控制国家重点实验室,7,8.1 测控网络技术概述,工业以太网技术：以太网,以太网的标准是IEEE 802.3，它使用CSMA/CD介质访问控制方法，对单一信道的访问进行控制、分配介质的访问权，以保证同一时间只有一对网络站点使用信道，避免发生冲突。,机械结构力学及控制国家重点实验室,8,8.1 测控网络技术概述,工业以太网技术：TCP/IP,TCP/IP（Transmission Control/Internet Protocol）是指传输控制协议/网际协议。实
4、际包含了许多协议和应用，有多个独立定义的协议组合在一起。,机械结构力学及控制国家重点实验室,9,8.1 测控网络技术概述,工业以太网技术：传统以太网技术存在的问题,（1）不确定性。以太网采用CSMA/CD协议导致网络存在冲突，大量的冲突应用于控制网络，使得网间通信的不确定性大大增加，必然导致系统控制性能降低。 （2）非实时性。工业控制对数据传输实时性要求严格，数据更新通常在数十毫秒内完成，而传统以太网发生冲突时，需要重发数据，有时还会掉线，实时性差。,机械结构力学及控制国家重点实验室,10,8.1 测控网络技术概述,工业以太网技术：传统以太网技术存在的问题,（3）低可靠性。传统以太网以商业应用
5、为目的，并非从工业网应用角度设计。 （4）安全性差。工业现场复杂，如何避免易燃、易爆的场合，另外还要抵御黑客、病毒感染、非法操作等。 （5）总线供电问题。连接到现场设备的线缆不仅传输数据信号，还能给现场设备提供工作电源。,机械结构力学及控制国家重点实验室,11,8.1 测控网络技术概述,工业以太网技术,（1）交换技术 为了改善以太网负载较重时网络拥塞问题，使用以太网交换机。交换技术采用将共享的局域网进行有效的冲突域划分。各个冲突域之间用交换机连接，以减少CSMA/CD机制的制约，避免了冲突；再加上全双工通信方式使端口间两对双绞线（或光纤）上分别同时接收和发送数据，而不发生冲突。,机械结构力学及
6、控制国家重点实验室,12,8.1 测控网络技术概述,工业以太网技术,（2）高速以太网 当网络中的负载越大，发生冲突的概率也就越大。提高以太网的通信速度，可以有效降低网络的负荷。传输速度：100Mb/s，1Gb/s 另外通过全面设计及对系统中的网络节点的数量和通信流量进行控制，可以采用以太网技术作为工业网络。,机械结构力学及控制国家重点实验室,13,8.1 测控网络技术概述,工业以太网技术,（3）IEEE 1588对时机制 IEEE 1588定义了一个在测量和控制网络中，与网络交流、本地计算和分配对象有关的精确同步到时钟协议（PTP）。此协议特别适合于基于以太网的系统，精度达微秒级别。 采用这种
7、技术，以太网TCP/IP不需要大大改动就可以运行于高精度的网络控制系统之中。,主要内容,机械结构力学及控制国家重点实验室,14,8. 测控系统网络技术 8.1 测控网络技术概述 8.2 无线传感器网络 8.3 应用举例,机械结构力学及控制国家重点实验室,15,8.2 无线传感器网络,无线通信技术,无线通信系统一般由无线基站、无线终端及应用管理服务器等组成。系统采用的无线通信技术有远距离无线接入技术和短距离无线接入技术两大类。 远距离：GSM、GPRS、3G等 短距离：Bluetooth、Wi-Fi、IrDA、ZigBee等,机械结构力学及控制国家重点实验室,16,8.2 无线传感器网络,无线通
8、信技术：ZigBee技术,ZigBee是基于IEEE 802.15.4标准的低功耗个域网协议。成立于2001年8月有Motorola、Philips等公司发起。目前已经在工业监控、传感器网络、家庭监控、安全系统等领域得到广泛应用。,机械结构力学及控制国家重点实验室,17,8.2 无线传感器网络,无线通信技术：ZigBee技术,ZigBee的工作频段是2.4GHz、868MHz及915MHz，采用调频技术。主要技术特点：传输速度低，功耗低，网络容量大（支持255个设备），有效范围小1075m，开放频段。,机械结构力学及控制国家重点实验室,18,8.2 无线传感器网络,无线通信技术：ZigBee技
9、术,ZigBee的工作频段是2.4GHz、868MHz及915MHz。在我国，创建网络时，协调器节点首先依次扫描ch11到ch26，从中找出一个相对安静的通道，根据事先的协议创建通道特征。其它待加入到节点上电重启后同样扫描通道，一旦发现通道中有活动的协调器节点，则比较特征参数，符合则加入。,机械结构力学及控制国家重点实验室,19,8.2 无线传感器网络,无线通信技术：无线传感器网络,无线传感器网络（Wireless Sensor Network）是由大量的具有通信和计算能力的微小传感器节点，以无线的方式连接构成的自治测控网络。,机械结构力学及控制国家重点实验室,20,8.2 无线传感器网络,无
10、线通信技术：无线传感器网络,WSN nodes,Irrigation control, Frost protection, etc.,Agriculture,Industry,Radiation level monitoring, etc.,Civil engineering,Intelligent traffic,Earthquake prevention, Damage detection, etc.,Traffic flow monitoring, Traffic light control, etc., Crossbow, The Economist, Libelium, CSE mi
11、ni project,作业,机械结构力学及控制国家重点实验室,21,（1）计算机网络的拓扑结构有哪些？ （2）ZigBee协议的工作频段主要有哪些？,主要内容,机械结构力学及控制国家重点实验室,22,8. 测控系统网络技术 8.1 测控网络技术概述 8.2 无线传感器网络 8.3 应用举例,机械结构力学及控制国家重点实验室,23,8.3 应用举例,输电线损伤检测系统,机械结构力学及控制国家重点实验室,24,8.3 应用举例,输电线损伤检测系统,弹性波在介质结构中传播，介质结构的各种损伤或边界条件会引起波的散射和能量吸收等现象。,弹性波检测原理概述：,机械结构力学及控制国家重点实验室,25,8.
12、3 应用举例,输电线损伤检测系统,采集装置,发波装置,机械结构力学及控制国家重点实验室,26,8.3 应用举例,输电线损伤检测系统,机械结构力学及控制国家重点实验室,27,8.3 应用举例,输电线损伤检测系统,机械结构力学及控制国家重点实验室,28,8.3 应用举例,输电线损伤检测系统,上位机与Coordinator节点之间通过232串口进行通信,Coordinator节点与终端设备之间无线进行通信 （基于802.15.4标准）,机械结构力学及控制国家重点实验室,29,8.3 应用举例,输电线损伤检测系统,机械结构力学及控制国家重点实验室,30,8.3 应用举例,输电线损伤检测系统,机械结构力学及控制国家重点实验室,31,8.3 应用举例,输电线损伤检测系统,设计了一环形数组，用来提高串口接收数据的容错能力，和串口发送数据的效率。,机械结构力学及控制国家重点实验室,32,8.3 应用举例,输电线损伤检测系统,机械结构力学及控制国家重点实验室,33,8.3 应用举例,输电线损伤检测系统,机械结构力学及控制国家重点实验室,34,8.3 应用举例,输电线损伤检测系统,
